IMS系统核心特点――接入无关性研究

1、 IMS系统核心特点接入无关性研究黄钰北京邮电大学通信网实验室,北京 (100876E-mail:huangyu521摘要:IMS(IP Multimedia Subsystem是3GPP在Release5版本提出的支持IP多媒体业务的子系统,它的核心特点是采用SIP协议和与接入的无关性。本文就IMS支持的接入无关性,重点分析了GPRS接入,固网接入,WLAN接入IMS核心网的不同网络架构和功能结构。关键词:IMS,接入无关性,GPRS,固网,WLAN1.引言3GPP定义了R5、R6、R7、R8阶段性IMS标准。3GPP R5/R6定义了移动接入,即通过服务GPRS支持节点(SGSN和网关GP

2、RS支持节点(GGSN接入IMS网络。从R6版本开始,以3GPP-WLAN融合为范例,开始制定3GPP-WLAN互通融合规范,目的是将3GPP IMS的业务和功能扩展到WLAN接入环境中,使WLAN有效地成为3GPP系统的补充接入技术。TISPAN和3GPP作为ETSI旗下两大标准实体,其中3GPP关注于IMS在移动通信中的应用,TISPAN研究IMS在固网和在网络融合领域的应用。在固网接入IMS架构中,引入了RACS和NASS两个子系统1。多种接入方式实现了IMS支持的接入无关性。2.3GPP R5/R6定义移动(GPRS接入IMS在IMS会话建立时,UE通过SDP协议为实时业务、非实时业务

3、请求相应的媒体参数(编码方案、媒体类型、带宽等。IMS会话控制根据用户的个人业务/媒体信息以及所应用的本地策略控制,进行相应媒体参数的授权。所授权的参数返回给用户终端为建立传输承载作资源预留。 图1 会话层和承载层的交互机制IMS网络与接入网络相互独立,IMS会话控制并不直接控制传输承载网络的资源分配, 这需要在IMS会话层和传输承载层间建立一套交互机制,其结构如图1会话层和承载层的交互机制所示。 2.1 相关实体功能描述(1IP承载管理器(IP BS Manager用标准的IP机制来管理IP承载业务,IPBS在UE中是可选的,在GGSN是必须的,它通过翻译功能与UMTS承载管理器进行通信,提

4、供IP承载业务与UMTS承载业务的互通。(2策略控制功能(PDFPDF采用标准的IP机制实现在承载层中的基于业务的本地策略控制。(3IMS会话层与传输承载层间的联接在3GPPR5规范中Go接口用来提供IMS会话层中的PDP与传输承载层中的PEP间的联接,从而实现了本地的QoS策略控制从IMS会话层映射到传输层。在IMS网络中PDF是PDP,GGSN是PEP。(4翻译/映射功能翻译/映射功能提供了不同机制和不同参数间的互通。(5用户设备(UEUE把IMS会话所授权的媒体参数映射为用于建立承载的DPCActivation / Modification 请求所携带的QoS参数。(6PDP-PEPPD

5、P把IMS会话层授权的媒体参数应设为QoS参数发送给PEP,由PEP执行UE所要求的承载资源的控制。2.2 基于服务的本地策略功能(SBLPSBLP提供在“BestEffort”以外更好的QoS的支持。一个通过SBLP进行承载授权的操作过程如图2承载授权过程所示,分成两个不同的阶段:Qos资源的授权和资源预留。 图2 通过SBLP进行承载授权的操作过程步骤1¾UE向CSCF发送SIP信令¾P-CSCF向PDF转发相关的SDP信息,并指出会话的发起者。P-CSCF从PDF获得授权令牌(Token¾PDF对IP流进行记录(流标识符、数据速率、QoS类别并授权。通过SD

6、P参数映射到所授权的IPQoS参数而实现,并通过Go接口传送到GGSN 步骤2¾UE为承载资源进行PDPC的激活或更改时,必须执行将SDP参数映射到UMTSQoS参数,作为PDPC中的QoSProfile的内容。PDPC的激活或更改还包括:PDF分配的授权令牌和流标识符(用作绑定信息¾收到UE的PDPC激活或更改请求,GGSN向PDF申请授权信息。PDF比较收到的绑定信息和存储得到授权信息,并返回授权决策。如果绑定信息被验证是正确的,PDF将承载授权的信息告知GGSN,包括:与PDPC相关的IPQoS和分组分类器。3.TISPAN 支持固定(xDSL接入IMSTISPAN依

7、据3GPP的IP多媒体子系统(IMS体系架构提出了NGN的体系结构和逻辑功能结构2,并尽可能重用3GPP的相关规范,但要求支持更多的接入方式,包括数字用户线(xDSL;局域网(LAN;无线局域网(WLAN等。目的是使IMS成为基于会话初始协议(SIP的通用平台,同时支持固定通信网和移动通信网的多种接入方式。为此TISPAN 将NGN架构分为业务层和传送层,在传送层引入了网络附着子系统(NASS与资源及接纳控制子系统(RACS,负责为上层业务层提供独立的用户接入管理功能。3.1 网络附着子系统(NASS3.1.1 NASS总体描述NASS实现IP地址分配、传送层的认证、授权、接入网配置、位置信息

8、的管理等,在移动或者游牧的场景下,NASS负责控制终端的接入。NASS完成对用户附着于接入网络的管理,主要功能包括:¾为用户设备(UE动态提供IP地址,以及其他配置参数(DHCP;¾对用户进行接入层的鉴权;¾基于用户业务清单,对用户进行网络接入的授权;¾基于用户业务清单,配置接入网络;¾管理用户的位置信息。NASS的基本架构3如图3所示,由网络接入配置功能(NACF,接入管理功能(AMF,连接会话定位与存储功能(CLF等逻辑功能单元组成。 图3 网络附着子系统(NASS结构NASS提供的是接入层的注册功能,UE接入到TISPAN NGN服务时对

9、其初始化。NASS 提供网络级的标识信息和鉴权方式,管理接入网的IP地址空间,为用户提供NGN上层业务应用的接入点信息。如果NGN上层业务应用子系统就是IMS时,NASS提供的接入的信息就是P-CSCF的标识。3.1.2 NASS功能单元组成NASS的结构如图3所示。其各实体单元功能如下。(1网络接入配置功能(NACFNACF负责为UE分配IP地址,并提供UE所需要的其他网络配置参数,如域名服务器(DNS地址,上层业务接入点地址等。(2接入管理功能(AMFAMF负责翻译UE的接入请求,将UE的IP地址分配请求以及网络配置参数请求转发至NACF,将用户鉴权请求转发给用户接入授权功能(UAAF,反

10、向则将来自NACF或UAAF的响应转发给UE。(3连接会话定位与存储功能(CLFCLF登记UE所分配的IP地址,NACF提供的相关网络定位地址信息,地理位置信息,并对这些信息进行关联;还存储用户标识,用户的服务质量(QoS清单用户的位置信息隐私权设置。向上层业务提供位置查询功能。(4用户接入授权功能(UAAFUAAF提供用户鉴权,授权核查功能。基于用户网络清单,以接入网络。UAAF也收集用于计费的帐务数据。(5清单数据库功能(PDBFPDBF存储用户鉴权数据(如用户标识,支持的鉴权方法清单,鉴权密钥以及与网络接入配置相关的信息。(6客户网关配置功能(CNGCFCNGCF在初始化或升级时使用,为

11、客户网关(CNG提供额外的配置信息,如防火墙 配置,IP包的QoS标记等。3.1.3 NASS分配用户网络清单消息流图4定义了网络附着过程以及NASS向RACS分配接入用户的网络清单信息的信息流3。 图4 NASS分配用户清单消息流 第一阶段的网络附着过程中,UE将被鉴权。第一阶段同样包含着基于用户清单的接入鉴权。用户具体的配置清单,例如QoS,可以被从归属NGN网络中下载到拜访NGN网络(从UAAF服务器到UAAF代理。第二阶段为UE提供动态IP地址的和IP配置信息。NACF分配IP配置信息。第三阶段CNGCF配置CNG参数。第四阶段TISPAN NGN服务子系统通从CLF获得位置信息。位置

12、信息的主要参数为用户标识符和NASS分配给UE的IP地址。3.2资源与接纳控制子系统(RACS3.2.1 RACS总体描述RACS(资源与接纳控制子系统是下一代网络组成部分之一,将业务层(IMS的资源需求与网络承载层的资源分配相关联,主要完成策略控制、资源预留、接纳控制、NAT 和Firewall穿越等功能。RACS通过一系列策略为应用提供基于传输的控制服务。只要该应用支持RACS接口,RACS保证任意应用能够请求到与其服务相匹配的传输资源。RACS为运营商提供不同接纳控制的方法,并设置各自的承载服务策略。RACS为各种服务提供获得网络资源的方法,使得用户终端可以获得所提供服务。RACS的基本

13、架构结构如下图5所示4。 图5 RACS的总体功能结构3.2.2 RACS功能单元组成RACS由两个实体组成:基于业务的策略决策功能(SPDF和接入资源准入控制功能(A-RACF。(1SPDF(基于业务的策略决策功能SPDF基于应用功能的请求(AF选择本地策略,通过请求名称,服务类型,服务优先级,资源预留类型或者其他的信息元素。将AF通过Gq接口送来的策略建立信息,映射成IP QoS参数,并发送到相应的A-RACF或者BGF。SPDF相应用层屏蔽了底层网络拓扑和接入类型。(2A-RACF(接入资源准入控制功能A-RACF的主要功能有准入控制(Admission Control:通过Rq参考点接

14、受SPDF的QoS 请求,例如带宽需求。A-RACF将核对从SPDF收到的QoS请求信息是否可以提供,同时将结果反馈给SPDF。A-RACF还具有网络策略集成功能(Network Policy-Assembly:A-RACF 将确保SPDF的请求和接入策略匹配。A-RACF可以接受来自多个SPDF的资源请求,A-RACF对来自SPDF的请求进行绑定,保证这请求与具体的接入相匹配。3.2.3 RACS接纳控制消息流图6即为AF请求资源消息流的过程5。 图6 资源请求过程 1.AF生成会话初始化请求。2.AF发送业务请求信息给SPDF。3.SPDF给这个请求授权。这个过程包括验证AF发出的资源请求

15、是否与SPDF中运营商定义的本地策略相匹配。4.如果业务请求被授权,SPDF用本地策略和请求中携带的参数来决定怎样处理请求。他可以发送Resource-Req给A-RACF并发送bgf-Req给BGF。5.A-RACF把来自SPDF的请求映射到内部网络拓扑。A-RACF基于接入网策略执行授权和接入控制。A-RACF同时决定传输策略是否加载到RCEF。6.A-RACF请求RCEF加载策略。7.RCEF确认传输策略的加载(取决于步骤6。8.如果资源被预留,A-RACF发送Resource-Cnf以通知SPDF。9.SPDF把资源请求发送给合适的BGF。10.BGF执行请求的业务(例如分配必要的资源

16、以加入RTP中继功能并且将相应的操作通知SPDF。11.SPDF把结果响应转发给AF。4.3GPP R7定义WLAN接入3GPP IMS3GPP IMS与WLAN之间的互通可以将IMS核心网络业务扩展到WLAN接入环境中。3GPP定义了R5、R6、R7、R8阶段性IMS标准。R5阶段主要定义了IMS的基本框架及3G 接入的能力;R6版本详细定义了接口和功能,并且定义了WLAN接入的能力,已于2004年12月份冻结;R7版本对移动部分作了进一步的优化,并引用TISPANR1标准支持xDSL 接入,试图定义与接入方式无关的策略控制和计费架构。4.1 3GPP IMS 与WLAN 的互通3GPP-W

17、LAN互通融合架构下,用户通过WLAN接入IP网络服务有两种方式6: (1、WLAN直接IP接入(WLAN Direct IP Access:WLAN UE通过WLAN AN直接接入Internet,3GPP网络不参与WLAN用户的数据业务承载。(2、WLAN 3GPP IP接入(3GPP IP Access:WLAN UE访问3GPP分组域业务,如IMS等。另外,运营商出于计费、服务和统一用户管理的考虑,也为WLAN UE提供通过3GPP网络接入Internet的服务。这种情况下,WLAN UE需要与3GPP网络之间建立业务承载。在TS 23.2347中,明确了3GPP-WLAN互通的基本要

18、求和相关呼叫流程,包括接入控制的要求和原则,用户身份和标示,接入网络的特性告知和选择,鉴权方式,WLAN-3GPP IP接入的互通性和漫游要求,以及互通时的路由选择和策略执行等。同时,对相关的各个设备和网元做了明确的定义和要求。如下图7所示,即为WLAN与3GPP互通的各个接口规范和信令流程。 图7 WLAN与3GPP互通的各个接口规范和信令流程为了实现3GPP-WLAN融合架构,3GPP新增加的设备主要有:¾WLAN UE:带有UICC/SIM卡的WLAN终端或3G/WLAN双模终端。¾AAA server/proxy:负责提供用户鉴权,业务授权和计费功能,做代理时负责中

19、继AAA 信息。¾WAG(WLAN接入网关:负责为进出WLAN接入网的分组选路,还有分组过滤和计费信息采集等功能。¾PDG(分组数据网关:功能类似3G核心分组域中的GGSN,负责IP地址管理,分组路由,隧道端点处理,业务选择和授权,策略执行,计费信息采集等。另外下列3GPP中已有的设备需增加为WLAN UE服务的能力:¾HSS(归属用户服务器:存储管理用户的鉴权数据和签约信息。¾计费功能:OCS(在线计费系统和CGW/CCF(计费网关/计费采集功能分别用来进行在线计费和离线计费。WLAN UE为了访问3GPP IMS业务,首先需要经过3GPP AAA服务

20、器鉴权认证并获得业务授权,然后WLAN UE和PDG之间建立端到端的隧道,之后WLAN UE便可通过PDG 访问3GPP IMS域了。 4.2 WLAN与3GPP融合网络的主要接口(1.WaWa参考点连接WLAN Access网络和3Gpp网络。该参考点的主要功能是在WLAN UE 和3Gpp网络之间传输鉴权,授权,计费相关的信令信息。EAP鉴权在Wa参考点上传送。该参考点支持raduis和diameter协议。(2.WxWx参考点连接3GPP AAA服务器和HSS之间。主要的功能是从HSS中重获鉴权参数、WLAN相关注册用户的信息和在线计费/离线计费功能的地址。将3GPP AAA服务器的授权

21、信息注册到HSS。支持diameter协议。(3.WmWm参考点在3GPP AAA服务器和分组数据网关之间。其主要功能是在PDG和3GPP AAA服务器/代理之间传送用户鉴权的消息,以用于隧道建立。支持diameter协议。(4.WnWn参考点在WLAN 接入网和W AG的连接点。其参考点的主要功能是强制在WLAN UE发起的隧道上通过WAG传送数据流。(5.WgWg参考点连接3GPP AAA服务器/代理到W AG。他用于向W AG提供策略执行消息,在漫游的情况下,在WAG和AAA服务器之间传送基于隧道的计费消息。支持diameter协议。Diameter NASREQ用于将策略下载到WAG.

22、。在这种情况下,3GPP AAA 服务器/代理扮演NAS客户端的角色,WAG相当于Diameter服务器。5.结论目前IMS已经成为被普遍看好的实现固定和移动网络融合的技术,也是业界认可的技术发展趋势。标准组织、设备商、运营商都对基于IMS的网络融合给予了高度的关注。相关标准的指定、网络设备的研制、IMS的技术实验等都正在进行中。IMS的与传输、接入网络无关性、移动性管理和QoS控制等功能都是体现在对接入网的控制,因此在固网制定NASS 和RACS子系统的标准和替换、升级原有的接入网控制设备和终端将是一项长期的工程。 参考文献1ETSI TS 180 002 V0.3.0 Telecommun

23、ications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN; NGN Release 2;Release definition NGN R1. 20072ETSI TS 282 007 V1.1.1 Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN;IP Multimedia Subsystem (IMS ;Functional archi

24、tecture NGN IMS Architecture. 2006 3ETSI ES 282 004 V1.1.1 Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN; NGN Functional Architecture; Network Attachment Sub-System (NASS. 20064ETSI ES 182 019 V0.3.3 Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN; Resource and Admission Control Subsystem (RACS;Functional Architecture; Release 2. 20075ETSI ES 183 048 V0.0.6 Telecommunications and Internet converged Services and P